(2013•南开区二模)如图所示:轻弹簧一端连于固定点O,可在竖直平面内自由转动;另一端连接一带电小球P,其质量m=2×

1个回答

  • 解题思路:(1)P在竖直平面内做匀速圆周运动,受力平衡,即可判断所带电性;(2)弹簧从水平摆至竖直位置的过程中,其弹力做功即为弹性势能变化量;(3)因为磁场方向没有说明,所以同样要分情况讨论,分别求不同情况下tN与tP的大小是否相等.

    (1)由题意知:N碰后做平抛,小球P在竖直平面内做匀速圆周运动,故P所受电场力和重力平衡,P带正电荷;

    (2)设弹簧弹力做功为W,有mgh+W=

    1

    2mv2−

    1

    2mv02

    带入数据得:W=-2.05J,△Ep=-W=2.05J;

    (3)设P、N碰后的速度大小分别为v1和V,并令水平向右为正方向

    由:qv1B=m

    v12

    r

    得:v1=[Bqr/m]=5m/s;

    若P、N碰后速度同向时:mv=mv1+MV

    计算可得V=1.25m/s<v1,这种碰撞不能实现;

    设P、N瞬时必为反向运动,有:mv=-mv1+MV

    得:V=2.5m/s;

    设P、N速度相等时,N经过的时间为tN,P经过的时间为tP,此时N的速度V1的方向与水平方向的夹角为θ,有:

    cosθ=

    V

    V1=

    V

    v1

    解得:θ=60°

    gtN=V1sinθ=v1sinθ

    代入数据得:tN=

    3

    4s;

    对小球P,其圆周运动的周期为T,有:T=

    2πr

    v1=

    2πm

    qB=

    π

    5s

    即tN<T

    P经过tP时,对应的圆心角为α,有:tP=

    α

    2πT

    当磁感应强度B的方向垂直于纸面向外时,若P、N的速度相同,如图可知,有:α1=π+θ

    联立相关方程得:tP1=

    15s

    比较得:tN≠tP1,在此情况下,P、N的速度在同一时刻不可能相同;

    当磁感应强度B的方向垂直于纸面向里时,若P、N的速度相同,如图可知,有:α2=π-θ

    同上得:tP2=

    π

    15s

    比较得:tN≠tP2,在此情况下,P、N的速度在同一时刻不可能相同;

    答:(1)小球P带正电;

    (2)弹簧从水平摆至竖直位置的过程中,其弹性势能变化了2.05J;

    (3)小球P、N碰撞后不能在某一时刻具有相同的速度.

    点评:

    本题考点: 匀强电场中电势差和电场强度的关系;动量守恒定律;弹性势能.

    考点点评: 该题考查了带电粒子在电场、磁场中的运动,涉及到平抛运动和圆周运动的相关知识,速度相同包括大小相等和方向相同,并且要讨论磁场的方向,难度特别大,属于难题.

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